新技術
ｎ型ダイヤモンド半導体の合成に成功
産業技術総合研究所（産総研）ダイヤモンド研究センターは、気相合成法を用い（００１）面ダイヤモンド基板上にｎ型ダイヤモンド半導体を合成することに世界で初めて成功した。そしてこの（００１）面ｎ型ダイヤモンド半導体を用いてp-n接合による紫外線発光素子を試作、紫外線発光にも成功した（写真１）。
 （001）面ｎ型ダイヤモンド半導体を用いて作製した紫外線発光素子（左）と 紫外線発光の様子（右）（紫外線とともに発光する緑色光が見えている） ダイヤモンドは宝石のほか、最高の硬度、最高の熱伝導率、高い絶縁耐圧、広い光透過波長帯、高い化学的安定性などの特性を持っている。また、半導体としても電子や正孔の移動度が非常に高く、その移動度の差が小さいという優れた特性があり、これらの特性を生かした電子デバイスへの幅広い応用が期待されている。 とくにパワー素子として原理的にシリコン半導体の１５，０００倍、シリコンカーバイド半導体の１０倍の性能が期待できる。また、発光素子としては２３５ナノメートルと現在の発光素子よりも短い波長の光（紫外光）を発生させることができる。 ダイヤモンド半導体を電子デバイスに応用するには、他の半導体と同様にｐ型とｎ型の合成技術開発が不可欠である。 ｐ型ダイヤモンド半導体は、これまでの研究でホウ素を添加することで、ダイヤモンドの結晶面の方向に制約されることなく合成が可能となっている。しかし、ｎ型ダイヤモンド半導体の合成は極めて難しく、これまで（１１１）面上でのみ合成ができていた。しかし、（１１１）面は製品化の点で障害が多いことから、実用化が期待できる（００１）面上での合成が望まれていた（図１）。
これはダイヤモンド結晶表面の中で硬度が最も高いために原子レベルの平坦性が期待できない（１１１）面に比べ、（００１）面は原理的に原子レベルの平坦化が期待できる。このため、（００１）面でのｎ型ダイヤモンド半導体の合成は、ダイヤモンド半導体を電子デバイスへ応用する際の重要課題のひとつとされていた。 ダイヤモンドの合成は、水素ガスで希釈したメタンを原料ガスとしマイクロ波プラズマ化学気相合成法を用いて行う。下地基板は高温高圧合成法により合成されたダイヤモンド単結晶基板を用いている。マイクロ波により、反応しやすい状態まで分解された原料ガスは、表面との化学反応によりダイヤモンドへと成長する（図２）。  〔図2〕ダイヤモンドのマイクロ波プラズマ科学気相合成法 ｎ型ダイヤモンド半導体は、気相合成法でダイヤモンドを合成中にホスフィン（リン原子を含むガス）を添加することにより合成を行う。 このｎ型ダイヤモンド半導体の合成では、リン添加の条件が重要で、（００１）面での不純物原子の取り込み方が（１１１）面でのそれと大きく異なることに着目、ｎ型ダイヤモンド半導体の合成におけるポイントを見出し、従来、数百ｐｐｍであった気相中のリン濃度を数％と極めて高くすることにより、（００１）面上でのｎ型ダイヤモンド半導体の合成に成功した。 また、（００１）面ｎ型ダイヤモンド半導体を用いてp-n接合を作製し、紫外線発光素子を試作、良好な接合特性を得ることに成功した。そしてこの素子に電流を流すことにより、波長２３５ナノメートルの紫外線の発光を確認した（図３）。
今回（００１）面上でのｎ型ダイヤモンド半導体の合成に成功したが、キャリア濃度（電気の流れやすさ）は改善の余地が残されていることから、今後はさらなる高品質化を図り、よりキャリア濃度の高い（電気が流れやすい）（００１）面ｎ型ダイヤモンド半導体を合成することが、実用化のための課題としており、合成条件のさらなる最適化や、気相合成装置の改良を含めた総合的な取り組みを行っていく予定。 この研究開発は、独立行政法人 新エネルギー・産業技術総合開発機構（ＮＥＤＯ）の委託事業、ナノテクノロジープログラム／次世代情報通信システム用ナノデバイス・材料技術「ダイヤモンド極限機能プロジェクト（平成１５〜１７年度）」と、独立行政法人 科学技術振興機構の戦略的創造研究推進事業（ＣＲＥＳＴタイプ）「新しい物理現象や動作原理に基づくナノデバイス・システムの創製／高密度励起子状態を利用したダイヤモンド紫外線ナノデバイスの開発（平成１３〜１８年度）」の支援により行われたもの。 ＊気相合成法・高温高圧合成法＝天然ダイヤモンドは、地中の非常に深い場所で形成され、地上近くまで出てきたものが採掘されている。産業用に使われているダイヤモンドは人工的に安価に大量生産されたもの。ダイヤモンドの合成法には２種類があり、高圧（約５万気圧）と高温（約1500℃）で作る高温高圧合成法と、低圧（約0.03気圧）のメタンと水素から成る原料ガスをプラズマ中で反応させ、約900℃の基板上に堆積させる気相合成法がある。 ＊（００１）面、（１１１）面＝結晶面の方向表示法。どのような結晶面でも必ず３つの整数の組み合わせで示すことができる。これらの整数の組み合わせはミラー指数あるいは面指数と呼ばれる。 ＊ｎ型半導体、ｐ型半導体、p-r接合＝ｎ型半導体は、リン原子などをダイヤモンド半導体に少量混ぜることにより得られる。 また、ボロン原子などをダイヤモンド半導体に混ぜると正孔が発生し、ｐ型半導体が得られる。このｐ型半導体とｎ型半導体を重ねること（p-r接合）により、電荷が一方向にしか流れなくなる。また、半導体の性質によって決まる波長の光を接合部分から発生させることができる。 ＊マイクロ波プラズマ化学気相合成法＝2.5GHzのマイクロ波でメタンなどの気体をプラズマ状態にし、基板にダイヤモンドを堆積させる方法。気相中の化学反応により薄膜を型成する。 ＜資料：産業技術総合研究所＞
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